李雄威 史貴才 朱建群 王 勇

(1.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，213002,常州； 2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，430071，武漢∥第一作者,副教授)

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某地鐵車站抽水試驗(yàn)及降水方案數(shù)值模擬*

李雄威1史貴才1朱建群1王 勇2

(1.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，213002,常州； 2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，430071，武漢∥第一作者,副教授)

以常州某地鐵車站項(xiàng)目為對(duì)象,針對(duì)地鐵車站降水施工,先進(jìn)行抽水試驗(yàn),然后針對(duì)抽水試驗(yàn)開展數(shù)值仿真分析；并在獲得有效結(jié)果的基礎(chǔ)上,展開整個(gè)降水施工的數(shù)值仿真模擬,依據(jù)可靠的仿真分析結(jié)果,優(yōu)化了降水設(shè)計(jì)。地鐵車站的施工過程中,地下水位和水頭均在設(shè)計(jì)控制范圍內(nèi),降水方案確保了施工安全,使后續(xù)施工按期完成。

地鐵車站; 抽水試驗(yàn); 降水壓; 數(shù)值模擬

Author′s address School of Civil Engineering & Architecture,Changzhou Institute of Technology,213002,Changzhou，China

降水是確保地鐵車站、重大基坑項(xiàng)目和其它地下工程施工安全的重要一環(huán)[1-3]。而降水方案又要依據(jù)不同地區(qū)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)[4-6]。在缺乏相關(guān)降水經(jīng)驗(yàn)的時(shí)候,往往會(huì)進(jìn)行抽水試驗(yàn),對(duì)單井或群井的出水能力及相應(yīng)地質(zhì)環(huán)境補(bǔ)水狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià),為降水方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。但抽水試驗(yàn)僅能對(duì)局部地質(zhì)環(huán)境的降水狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,缺乏對(duì)整個(gè)工程項(xiàng)目降水效率和降水影響的客觀分析,所以,有時(shí)會(huì)結(jié)合數(shù)值仿真模擬,對(duì)降水方案進(jìn)行深入和全面分析。

本文針對(duì)某地鐵車站降水施工,先進(jìn)行抽水試驗(yàn),然后針對(duì)抽水試驗(yàn)開展數(shù)值模擬計(jì)算分析,在獲得有效成果基礎(chǔ)上,展開整個(gè)降水施工的數(shù)真模擬,模擬分析結(jié)果,優(yōu)化降水設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

本地鐵車站為滬寧城際鐵路常州站北廣場工程中的預(yù)留項(xiàng)目。該北廣場項(xiàng)目集火車站、長途客運(yùn)站、地鐵車站、公交樞紐站、社會(huì)停車場及出租車停靠站等多種交通設(shè)施于一體,還包含商業(yè)和商務(wù)辦公等功能設(shè)施。工程項(xiàng)目于2009年3月開工,于2010年4月竣工。地下工程中預(yù)留的地鐵車站長度為181.6 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬度為22.9 m,埋深為19.77 m;南北端頭井寬27.2 m,埋深分別為21.5 m和21.15 m。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用樁徑為800 mm的鉆孔灌注樁?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的止水帷幕采用三軸深層水泥土攪拌樁(樁徑為850 mm)。

本工程周邊環(huán)境復(fù)雜,承壓水抽水對(duì)環(huán)境影響較大,施工時(shí)對(duì)減壓降水工程提出了很高的要求。為充分觀測(cè)和掌握承壓水抽水引起含水層地下水位變化的特征,并為降壓井的運(yùn)行制定詳細(xì)準(zhǔn)確的方案,進(jìn)行了必要的抽水試驗(yàn)。

2 場地地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 場地地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報(bào)告,由地層成因、土性不同和物理學(xué)差異,擬建場地在一定深度范圍內(nèi)可劃分成不同的層次,各土層的土性特征見表1。

表1 土層分布

2.2 水文地質(zhì)條件

場地淺部土層中的地下水屬于潛水類型,其動(dòng)水位變化主要受控于大氣降水和地面蒸發(fā),地下水位豐水期較高,枯水期較低。水位埋深一般為0.5～2.0 m。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料。第Ⅰa層承壓水主要埋藏于⑥～⑦層粉土、粉砂中;第Ⅰb層承壓水主要埋藏于層粉土夾粉質(zhì)黏土及層粉砂中,與長江水、運(yùn)河水呈補(bǔ)、逕、排關(guān)系。

對(duì)于⑥～⑦層粉土、粉砂層已經(jīng)由圍護(hù)全部隔斷,且在土方開挖時(shí)也將其全部挖除。對(duì)本場地有影響的承壓水主要賦存于第層承壓含水層,水量較大,含水層的補(bǔ)給以側(cè)向徑流補(bǔ)給為主,補(bǔ)給速度相對(duì)較快,排泄主要是人工開采和側(cè)向徑流流出。故而本次抽水試驗(yàn)主要針對(duì)層粉砂層。據(jù)本區(qū)域水文地質(zhì)資料,第層承壓含水層頂板最淺埋深約27.7 m,承壓水頭埋深為黃海高程-2.85 m。即承壓水位埋深為地面以下6.78 m。

3 抽水試驗(yàn)

2009年7月在基坑內(nèi)進(jìn)行群井試驗(yàn)。根據(jù)該地區(qū)水文地質(zhì)條件以及現(xiàn)場條件,進(jìn)行了非穩(wěn)定流的群井抽水試驗(yàn)試驗(yàn),共選擇了北端頭井的3口降壓井為本次抽水試驗(yàn)井。其中包括2口抽水井和1口觀測(cè)井。

一般根據(jù)基坑面積按單井有效抽水面積A(井的經(jīng)驗(yàn)值為一般為20～300 m2)來確定,而經(jīng)驗(yàn)值是根據(jù)場地潛水含水層的特性及基坑的平面形狀來確定。根據(jù)以往的布井經(jīng)驗(yàn),結(jié)合基坑的形狀,按每300 m2布一口井來計(jì)算;采用多級(jí)濾水管,加真空的措施,以確保每口井的出水量[7-10]。抽水井分布和構(gòu)造如圖1。

抽水試驗(yàn)主要目的包括3方面:①提供本場地不需要降承壓水的臨界開挖深度;②獲得水位降深與抽水時(shí)間、水位恢復(fù)與停抽時(shí)間之間的規(guī)律,為確定合理的降壓井抽水時(shí)間提供依據(jù);③為建立基坑降水?dāng)?shù)值模擬模型提供依據(jù)。

圖1 抽水井布置

群井抽水試驗(yàn)從2009年07月09日開始。05月09日05:00啟動(dòng)Y10、Y12抽水,并對(duì)Y11進(jìn)行觀測(cè)。2口試驗(yàn)抽水井啟動(dòng)后出水正常,到2009年7月11日01:00停止抽水,7月11日至7月12日進(jìn)行水位恢復(fù)觀測(cè)。

3.1 群孔抽水試驗(yàn)井流動(dòng)態(tài)特征

Y10井出水量平均為7.8 m3/h,Y12井出水量平均為8.2 m3/h,群孔抽水試驗(yàn)抽水近2 d,井的出水能力并無衰減。2口井的平均日出水量約為384 m3。具體出水量如圖2所示:

圖2 Y12、Y10井出水量曲線

3.2 群孔抽水試驗(yàn)觀測(cè)井水位動(dòng)態(tài)特征

觀測(cè)井Y11位于2口抽水井的中間區(qū)域,基本能夠反映群井抽水過程中,群井降深最大區(qū)域的水位特征。根據(jù)觀測(cè)井的水位動(dòng)態(tài)變化曲線可以得到水位變化規(guī)律(如圖3所示)。在抽水24 h后,水位基本穩(wěn)定,觀測(cè)井水位可降至22 m。在停抽后15 h時(shí),水位可以恢復(fù)77%,即水位上升至16m。由此看來,基坑內(nèi)的降壓井都能夠在抽水后及時(shí)發(fā)生水位變化(見表2),而且變化趨勢(shì)明顯(抽水后24 h水位基本穩(wěn)定,停抽后15 h基本恢復(fù))。說明含水層的導(dǎo)水能力較好,對(duì)于水位變化的響應(yīng)較快。

圖3 群井抽水試驗(yàn)觀測(cè)井水位變化曲線

4 群井抽水試驗(yàn)數(shù)值模擬

布設(shè)觀測(cè)井的目的是為了了解抽水井在抽水時(shí),承壓水頭變化的過程。針對(duì)試驗(yàn)場地,在抽水試驗(yàn)中布設(shè)觀測(cè)井的原則是“既具有代表性,又能有效反映出場地內(nèi)外水位變化特征”。本節(jié)通過含水層水文地質(zhì)參數(shù)和群井試驗(yàn)取得的井流和水位觀測(cè)數(shù)據(jù),通過數(shù)值模擬的方法反演分析,取得整個(gè)場地以及周圍區(qū)域的承壓水頭變化規(guī)律。

4.1 地下水?dāng)?shù)學(xué)模型的原理

表2 群孔抽水試驗(yàn)觀測(cè)孔地下水位變化值

地下水流和土體是由固體、液體、氣體三相體組成的空間三維系統(tǒng),土體可模型化為多孔介質(zhì)，因此求解地下水問題就可以簡化為求解地下水在多孔介質(zhì)中流動(dòng)的問題。這可用地下水流連續(xù)性方程及其定解條件式來描述。

式中：

Q——第二類邊界條件下，承壓含水層邊界S2上單位面積的流量;

H(x,y,z,t)——承壓含水層承壓水頭函數(shù);

h(x,y,z,t)——潛水含水層的水頭函數(shù);

Kx、Ky、Kz——分別為x、y、z方向的滲透系數(shù);

Ω——滲流區(qū)域；

Kn——邊界面法向方向的滲透系數(shù);

n——邊界面的法線方向向量;

μs——承壓含水層的釋水系數(shù);

μ——潛水含水層的重力給水度;

W——大氣降水入滲補(bǔ)給或由潛水蒸發(fā)構(gòu)成的垂向水量交換;

Ψ(x,y,z,t)——第一類邊界條件下，承壓含水層在邊界S1上各點(diǎn)在每一時(shí)刻的已知水頭函數(shù)表達(dá)式;

φ1(x,y,t)——第一類邊界條件下，潛水含水層在邊界Γ1上各點(diǎn)在每一時(shí)刻的已知水頭函數(shù)表達(dá)式;

h0——潛水含水層的初始水位分布;

H0——承壓含水層的初始水位分布;

Γi——第i類邊界單位寬度的側(cè)向補(bǔ)給量。Γ0對(duì)應(yīng)邊界為滲流區(qū)域的上邊界,即地下水的自由表面。Γ1對(duì)應(yīng)邊界為第一類邊界，即水頭邊界;

Si——第i類邊界單位面積的補(bǔ)給量。

4.2 抽水試驗(yàn)數(shù)值模型

4.2.1 計(jì)算模型

本次數(shù)值模擬區(qū)域承壓水上部不透水層合為第一層,厚度起伏不大。三維地層從上到下依次為:弱透水層、第⑦層含水層、弱透水層。根據(jù)土層特點(diǎn),土體參數(shù)設(shè)定成非均質(zhì)水平方向各向同性。采用三維結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)建立地下水系統(tǒng)的數(shù)值模擬模型。

本次計(jì)算的模擬期定為2 d,整個(gè)模擬期劃分為2個(gè)計(jì)算周期,每個(gè)計(jì)算周期計(jì)算的時(shí)間步長為1 d。在每個(gè)計(jì)算周期中,所有外部源匯項(xiàng)的強(qiáng)度保持不變。根據(jù)研究區(qū)的含水層結(jié)構(gòu)、邊界條件和地下水流場特征,將模擬區(qū)每層剖分為500行、400列規(guī)則網(wǎng)格。其中,活動(dòng)網(wǎng)格共200 000個(gè)。

4.2.2 源匯項(xiàng)處理方式

在Visual modflow中,降壓井可以設(shè)置埋深過濾器長度、出水量等參數(shù),與實(shí)際數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)對(duì)比性。根據(jù)已有抽水試驗(yàn)觀測(cè)成果,抽水井出水量不變。主要參數(shù)設(shè)置如圖4。

在本次基坑降水模擬中,模型邊界在降水井影響邊界以外。故可將模型邊界定義為定水頭邊界,水位不變。

4.3 場地及周圍環(huán)境承壓水頭分布模擬分析

將水文地質(zhì)參數(shù)代入到建立的抽水試驗(yàn)數(shù)值模型中,并對(duì)觀測(cè)井的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,通過水頭隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化可以看出,模擬的曲線與實(shí)測(cè)的曲線擬和的很好。這說明水文地質(zhì)參數(shù)真實(shí)的反映了含水層的水文地質(zhì)特性。

將實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬的最終穩(wěn)定降深進(jìn)行對(duì)比見表3?？梢钥吹絻烧叩恼`差很小,在工程允許的誤差之內(nèi)。通過對(duì)數(shù)值模型的識(shí)別與驗(yàn)證,數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)測(cè)的觀測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)基本一致,因此,通過該模型計(jì)算得到的群井抽水穩(wěn)定后場地及周圍環(huán)境的承壓水頭埋深的模擬結(jié)果見圖5。

圖4 井模型示意

表3 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的Y11觀測(cè)井穩(wěn)定水頭對(duì)比

圖5 抽水穩(wěn)定后的水頭等值線

4.4 基坑降水?dāng)?shù)值模擬預(yù)測(cè)

根據(jù)《基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)程》(DGJ 08-61—1997),基坑底板的穩(wěn)定條件為基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應(yīng)大于承壓水的頂托力,即:

∑γsi·h1≥γw·H1·Fs

式中:

h1—— 坑底以下隔水層的覆土厚度;

γs,i——基坑底至承壓含水層頂板間的各層土的重度，取平均重度19.4 kN/m3;

H1——承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離;

γw——水的重度,取10 kN/m3;

Fs——抗承壓水頭穩(wěn)定性安全系數(shù),取1.05。

根據(jù)γw×H1×Fs=∑γs,i×h1，計(jì)算出臨界開挖深度h1=15.9 m。

即當(dāng)基坑開挖到大于15.9 m時(shí),需降低承壓水水位；反之,不需要降低承壓水水位。

因此,對(duì)基坑開挖深度大于15.9m區(qū)域具體需降水頭，如表4所示:

表4 基坑開挖需降水頭對(duì)比

通過初步模擬估算,在端頭井和標(biāo)準(zhǔn)段部分布設(shè)12口降壓井。根據(jù)模擬結(jié)果,布設(shè)的降壓井能夠滿足基坑開挖的要求。降壓井的分布見圖6。

圖6 降壓井布置

通過數(shù)值模擬預(yù)測(cè),降水20 d后水位已經(jīng)穩(wěn)定。水位穩(wěn)定后的承壓水降深預(yù)測(cè)等值線圖見圖7?；痈鲄^(qū)域承壓水完全實(shí)現(xiàn)預(yù)期降水目標(biāo),可保證工期的順利進(jìn)行。

圖7 基坑承壓水降深預(yù)測(cè)等值線圖

5 結(jié)語

某地鐵車站降水施工中,先進(jìn)行抽水試驗(yàn),然后,在獲得有效降水成果基礎(chǔ)上針對(duì)抽水試驗(yàn)展開整個(gè)降水施工的數(shù)值仿真模擬,并依據(jù)可靠的仿真分析結(jié)果,優(yōu)化了降水設(shè)計(jì)方案。在優(yōu)化后降水方案的指導(dǎo)下,完成了地鐵車站施工的降水任務(wù)。車站施工過程中,其地下水位和水頭均在設(shè)計(jì)控制范圍內(nèi)。確保了地鐵車站施工的安全,使后續(xù)施工按期完成。

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Numerical Modeling of A Subway Station Pumping Test and the Precipitation Pressure

LI Xiongwei, SHI Guicai, ZHU Jianqun, WANG Yong

subway station in Changzhou City is taken as the research object, the whole dewatering construction process is simulated, first is the precipitation for pumping test, then the numerical modeling of the pumping test and the effective access to the results. According to reliable numerical simulation analysis, the precipitation design is optimized. In the construction process of subway station, the underground water level and water head are within the designed control scope, the precipitation scheme has ensured the construction safety and the follow-up construction.

subway station; pumping test; precipitation pressure; numerical simulation

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41302226;51579237)；江蘇省科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(自然科學(xué)基金)面上研究項(xiàng)目(BK20131141);

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(2012-K3-23)；江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局科研項(xiàng)目(2015-ky-3)

TU 46+3

10.16037/j.1007-869x.2016.09.022

2014-11-28)